杏彩体育app下载α-羟甲基酮可应用于合成一些重要的天然产物和药物分子，利用生物催化剂ThDP依赖型酶，从简单易得的化合物甲醛和其他醛类化合物出发，通过分子间C-C键连接反应合成α-羟甲基酮是一种极具吸引力的高原子经济性方法。然而这类反应极易生成自偶姻副产物；需要添加高度过量的甲醛才能实现底物的可控转化；但高浓度甲醛会导致酶失活，从而限制该方法的实际应用。本研究利用蛋白质分子改造技术，显著提高了苯甲醛裂解酶的催化效率、化学选择性及甲醛耐受能力，实现了α-羟甲基酮化合物的高效可控合成。

　　1. 利用蛋白改造技术，显著提高了苯甲醛裂解酶的催化活性、化学选择性和对甲醛及醛底物的耐受能力，实现了结构多样性的α-羟甲基酮的高效可控合成。

　　2. 通过晶体结构解析和分子动力学模拟计算分析，揭示了底物/产物进出通道构象的改变是苯甲醛裂解酶突变体催化活性和化学选择性显著提高的主要原因。

　　3. 解决了“一锅”多酶级联反应中酶催化剂及反应条件等的适配问题，实现了对映选择性互补1,2-二醇类化合物的一锅法合成，扩展了α-羟甲基酮的应用。

　　作者通过对实验室已有苯甲醛裂解酶（HeBAL）突变体库的筛选，获得一株突变体HeBAL A27I/V29I/G417S (M3)可以催化400 mM 糠醛和480 mM甲醛的羟甲基化反应，虽然底物糠醛可以完全转化，但是生成了24%的自偶姻副产物，化学选择性较差。因此，作者选取M3作为突变模板进行蛋白分子改造，经过3轮的定点饱和突变和迭代饱和突变，获得具有较高催化活性、较高化学选择性及耐受高浓度醛底物的优势突变体。其中突变体M3 I552L/M553L (M3_2)的催化效率相较M3提高了3倍，比酶活为249.8 U/mg；突变体M3 E549L/I552L/M553L (M3_3)的催化效率相较M3提高了9倍，且具有较高的底物亲和力。

　　为了探究突变体催化活性和化学选择性提高的分子机制，作者通过晶体结构解析获得了突变体M3和M3_3的晶体结构（图1）。如图1D所示，氨基酸残基552和111构成了底物通道口袋，突变体M3_3的关键氨基酸残基I552L显著减小了通道的尺寸，这可能有助于突变体化学选择性的提高。此外，作者还通过分子动力学计算阐明了突变体M3_3通过重塑底物结合口袋，提高了对底物糠醛的亲和力，进而提高了其对芳香醛的活性和化学选择性。

　　为了评估HeBAL突变体的催化能力，作者以甲醛和结构多样性的芳香醛为底物，建立了高底物浓度的制备反应，仅有少量自身偶姻副产物生成，产物α-羟甲基酮的分离收率为68−89%（图2）。为了进一步降低反应体系中甲醛对酶活性的影响同时提高产物的累积浓度，作者通过分批补料的方式，使用M3_1可以在7 h内实现700 mM 糠醛的完全转化，仅生成1%的自偶姻副产物，时空产率为14.1 g/(L h)。

　　最后，作者将苯甲醛裂解酶催化的羟甲基化反应和羰基还原酶催化的羰基还原反应进行偶联，通过“一锅、一次性投料”策略，实现了对映选择性互补1,2-二醇类化合物的高效合成，产物具有较高的对映选择性（97-99% ee）和分离收率（52-97%）（图3）。这为在高底物浓度下由简单的醛类化合物和甲醛出发合成高值化合物手性1,2-二醇提供了一条有效的途径。

　　本研究利用蛋白质改造技术提高了苯甲醛裂解酶的活性、化学选择性及甲醛耐受能力，实现了700 mM糠醛的羟甲基化反应，这是迄今为止报道的最高底物浓度。并利用“一锅”酶促级联反应实现了一系列对映选择性互补的1,2-二醇类化合物的高效合成。该研究为从简单化合物甲醛和其他醛类化合物出发，合成重要的多官能团、高附加值化合物提供了一条高效、绿色的途径。

　　中国科学院天津工业生物技术研究所研究员、博士生导师。2004年毕业于四川大学华西医院，获遗传学专业博士学位。主要从事生物催化剂的发现、改造及在手性化合物生物催化合成中应用工作。近5年来在Nature Catal.、Angew. Chem.、ACS Catal.、Green Chem.、Org. Lett.等刊物发表论文40多篇, 获得授权发明专利20余项；在应用研究方面，实现了6项成果的技术转让，生产规模达到每年100-10000吨，并获得浙江省科技进步一等奖（2022-J-1-031-R4）一项。

　　中国科学院天津工业生物技术研究所研究员，博士生导师。2010年毕业于天津大学药物科学与技术学院，获应用化学专业博士学位杏彩体育杏彩体育。研究方向为新型生物催化反应的设计、机理及应用研究，将传统有机合成方法与生物合成方法交叉融合，创建重要手性分子的高效绿色合成新途径，实现复杂分子手性中心的精准构筑，促进相关药物及精细化学品生产技术的绿色升级。获得英国皇家化学会Horizon Prize（2021）：Rita and John Cornforth Award，在Nat. Chem.、Angew. Chem.、ACS Catal.、Green Chem.、Chem Sci.、Org. Lett.等刊物发表论文50多篇。

　　ACS Catalysis 致力于发表有关多相催化、分子催化和生物催化等具有原创性的研究结果，领域包括生命科学、金属有机与合成、光化学与电化学、药物发现与合成、材料科学、环境保护、聚合物发现与合成以及能源和燃料。